发泡-注凝结合催化氮化法制备Si3N4多孔陶瓷

doi:10.3969/j.issn.1001-1935.2021.05.005

耐火材料 ›› 2021, Vol. 55 ›› Issue (5): 395-399.DOI: 10.3969/j.issn.1001-1935.2021.05.005

发泡-注凝结合催化氮化法制备Si₃N₄多孔陶瓷

韩磊(), 李孝建, 张海军()

武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室湖北武汉 430081

收稿日期:2021-07-06 出版日期:2021-10-15 发布日期:2021-10-25
通讯作者: 张海军,男,1970年生,博士,教授。E-mail: zhanghaijun@wust.com.cn
作者简介:韩磊:男,1987年生,博士。E-mail: hlad0422@163.com
基金资助:
国家自然科学基金面上资助项目(51872210);国家自然科学基金面上资助项目(52072274);湖北省教育厅高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目(T201602)

Preparation of Si₃N₄ porous ceramics via foam-gelcasting combined catalytic nitridation

Han Lei(), Li Xiaojian, Zhang Haijun()

The State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,Hubei,China

Received:2021-07-06 Online:2021-10-15 Published:2021-10-25
Contact: Zhang Haijun

摘要/Abstract

摘要：

以高纯Si粉为主要原料,以Fe(NO₃)₃·9H₂O为催化剂,以十六烷基三甲基溴化铵为发泡剂,采用发泡-注凝结合催化氮化法制备Si₃N₄多孔陶瓷。研究了氮化温度(1 200、1 250、1 300、1 350 ℃)和催化剂用量(w,0、1%、3%、5%)对Si₃N₄多孔陶瓷物相组成、显微结构及常规物理性能的影响。结果表明:当Fe(NO₃)₃·9H₂O用量为1%(w)、氮化温度为1 300 ℃时,所制备Si₃N₄多孔陶瓷的显气孔率和耐压强度分别为55.1%和29.7 MPa;多孔陶瓷相对较高的强度可归因于Fe(NO₃)₃·9H₂O的高效催化作用促进了试样内部Si₃N₄晶须的生长发育,进而对其力学性能的改善起到了积极的作用。

关键词: Si₃N₄多孔陶瓷, 发泡-注凝, 催化氮化, 显微结构, Si₃N₄晶须

Abstract:

Si₃N₄ porous ceramics were fabricated by foam-gelcasting combined catalytic nitridation using high-purity silicon powders as the starting material and Fe(NO₃)₃·9H₂O as the catalyst and CTAB as the foaming agent.The effects of the nitriding temperature (1 200,1 250,1 300 and 1 350 ℃) and the catalyst addition (0,1%,3% and 5%,by mass) on the phase composition,microstructure and physical properties of the Si₃N₄ porous ceramics were investigated.The results show that with 1% of Fe(NO₃)₃·9H₂O,the Si₃N₄ porous specimen nitridized at 1 300 ℃ has 29.7 MPa of compressive strength and 55.1% of apparent porosity.The relatively high strength of the porous ceramics can be attributed to the highly catalytic effect of Fe(NO₃)₃·9H₂O,which promotes the growth of Si₃N₄ whiskers inside the specimen and plays a positive role in the improvement of mechanical properties.

Key words: silicon nitride porous ceramics, foam-gelcasting, catalytic nitridation, microstructure, silicon nitride whiskers

中图分类号:

TQ175

韩磊, 李孝建, 张海军. 发泡-注凝结合催化氮化法制备Si₃N₄多孔陶瓷[J]. 耐火材料, 2021, 55(5): 395-399.

Han Lei, Li Xiaojian, Zhang Haijun. Preparation of Si₃N₄ porous ceramics via foam-gelcasting combined catalytic nitridation[J]. Refractories, 2021, 55(5): 395-399.

图/表 8

表1 Si3N4多孔陶瓷的配比

Table 1 Formulations of Si3N4 porous ceramics

原料	w/%
原料	S0	S1	S3	S5
Si粉	70	70	70	70
去离子水	30	30	30	30
Fe(NO₃)₃·9H₂O(外加)	0	1	3	5
CTAB(外加)	0.075	0.075	0.075	0.075

图1 当催化剂Fe(NO3)3·9H2O加入量为1%(w)时,不同温度氮化后试样S1的XRD图谱

Fig.1 XRD patterns of specimen S1 nitridized at various temperatures using 1% Fe(NO3)3·9H2O

图2 当Fe(NO3)3·9H2O加入量为1%(w)时,经1 300和1 350 ℃完全氮化后Si3N4多孔陶瓷断口处的SEM照片

Fig.2 SEM images of Si3N4 porous ceramics with 1%Fe(NO3)3·9H2O after 1 300 and 1 350 ℃ nitridation

图3 Si3N4晶须的TEM照片

Fig.3 TEM photos of Si3N4 whiskers prepared at 1 300 ℃ for 5 h

表2 当Fe(NO3)3·9H2O加入量为1%(w)时,不同温度氮化后试样S1的常温物理性能

Table 2 Physical properties of specimen S1 with 1%Fe(NO3)3·9H2O nitridized at various temperatures

项目	氮化温度/℃
项目	1 200	1 250	1 300	1 350
体积密度/(g·cm^-3)	1.25	1.34	1.44	1.61
显气孔率/%	56.5	55.8	55.1	50.1
常温耐压强度/MPa	16.9	20.6	29.7	39.8

图4 1 300 ℃保温5 h时,Fe(NO3)3·9H2O加入量不同的试样的XRD图谱

Fig.4 XRD patterns of Si3N4 porous ceramics nitridized at 1 300 ℃ for 5 h with various additions of Fe(NO3)3·9H2O

图5 1 300 ℃保温5 h时,Fe(NO3)3·9H2O加入量不同时所得Si3N4多孔陶瓷试样的SEM图片

Fig.5 SEM images of Si3N4 porous ceramics nitridized at 1 300 ℃ for 5 h with different additions of Fe(NO3)3·9H2O

表3 当Fe(NO3)3·9H2O加入量不同时,经1 300 ℃保温5 h氮化后试样的常温物理性能

Table 3 Physical properties of specimen nitridized at 1 300 ℃ for 5 h with various additions of Fe(NO3)3·9H2O

项目	试样S0	试样S1	试样S3	试样S5
体积密度/(g·cm^-3)	1.59	1.44	1.19	1.41
显气孔率/%	51.1	55.1	63.1	55.3
常温耐压强度/MPa	29.3	29.7	23.9	28.1

参考文献 12

[1]	尹月, 马北越, 张博文, 等. 非氧化物多孔陶瓷的研究进展[J]. 耐火材料, 2016, 50(3):233-240.
[2]	古亚军. 催化氮化法制备Si₃N₄(w)-SiC复合材料及其高温性能研究[D]. 武汉:武汉科技大学, 2016.
[3]	李金锋, 王黎, 漆小鹏, 等. 二茂铁含量对不烧镁钙系耐火材料性能的影响[J]. 耐火材料, 2021, 55(1):64-68.
[4]	梁峰, 李楠. 催化剂及煅烧温度对合成SiC纤维的影响[J]. 耐火材料, 2009, 43(5):359-362.
[5]	HAN L, ZHANG H J, ZHANG S W. Preparation of Si₃N₄ porous ceramics via combined foam-gelcasting and catalytic nitridation with Fe powder as catalyst[J]. China’s Refractories, 2020, 29(3):1-6.
[6]	DING S Q, ZENG Y P, JIANG D L. Oxidation bonding of porous silicon nitride ceramics with high strength and low dielectric constant[J]. Materials Letters, 2006, 61(11-12):2277-2280. DOI URL
[7]	WU J M, ZHANG X Y, YANG J L. Novel porous Si₃N₄ ceramics prepared by aqueous gelcasting using Si₃N₄ poly-hollow microspheres as pore-forming agent[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2014, 34(5):1089-1096. DOI URL
[8]	RAMBO C R, SIEBER H, GENOVA L A. Synjournal of porous biomorphic α/β-Si₃N₄ composite from sea sponge[J]. Journal of Porous Materials, 2008, 15(4):419-425. DOI URL
[9]	HAN L, LI F L, HUANG L, et al. Preparation of Si₃N₄ porous ceramics via foam-gelcasting and microwave-nitridation method[J]. Ceramics International, 2018, 44(15):17675-17680. DOI URL
[10]	SUN M Y, YANG S Y, GAO X J, et al. Structure and performance control of porous Si₃N₄ ceramics fabricated by freeze-drying process[J]. Ceramics International, 2021, 47(6):8169-8174. DOI URL
[11]	YANG W, ZHANG L, XIE Z, et al. Growth and optical properties of ultra-long single-crystalline α-Si₃N₄ nanobelts[J]. Applied Physics A, 2005, 80(7):1419-1423. DOI URL
[12]	PAVARAJARN V, KIMURA S. Catalytic effects of metals on direct nitridation of silicon[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2001, 84(8):1669-1674. DOI URL

[1]	李文凤, 申天姿, 郭会师, 曹金金, 康晓旭, 石凯, 康晓阳. 多羟基糖类结合剂对Al₂O₃-SiC-C质无水炮泥性能的影响[J]. 耐火材料, 2024, 58(4): 314-318.
[2]	安佳瑞, 张锐, 范冰冰, 王刚, 杜鹏辉. Sm₂O₃加入量和热处理温度对CA₆-MA材料性能的影响[J]. 耐火材料, 2024, 58(4): 319-322.
[3]	高云琴, 郭凯歌, 马爱琼, 牛兴荣, 杨光, 张旭东. 莫来石-刚玉-镁铝尖晶石复相材料的抗碱侵蚀性能研究[J]. 耐火材料, 2024, 58(4): 334-340.
[4]	梁保青, 张志峰, 王全喜, 尚俊利, 李宏宇, 赵臣瑞, 赵悦. SiC聚合物前驱体和Zn粉复合对Al₂O₃-C不烧滑板材料性能的影响[J]. 耐火材料, 2024, 58(2): 137-142.
[5]	孙格格, 李国华, 矫长发, 田琳. 表面活性剂对镁质泡沫料浆及多孔骨料显微结构的影响[J]. 耐火材料, 2024, 58(2): 161-166.
[6]	朴佳思, 杜庆洋, 唐钰栋, 白佳海. 轻烧MgO粉对凝胶注模法制备MgAl₂O₄多孔陶瓷性能的影响[J]. 耐火材料, 2024, 58(1): 40-43.
[7]	刘志云, 贾硕, 卢一国. 焦炉炭化室用后硅砖的分析研究[J]. 耐火材料, 2024, 58(1): 57-62.
[8]	苏玉柱, 罗华明, 王涵宇, 范明明, 金懿, 占华生. 矾土基莫来石的性能分析[J]. 耐火材料, 2024, 58(1): 76-79.
[9]	朴佳思, 杜庆洋, 白佳海. 干压成型-固相反应法制备MgAl₂O₄多孔陶瓷[J]. 耐火材料, 2023, 57(6): 500-503.
[10]	孙红刚, 李红霞, 司瑶晨, 杜一昊, 赵世贤, 尚心莲, 夏淼. 热处理温度对SiC-MgAl₂O₄-Al复合材料性能的影响[J]. 耐火材料, 2023, 57(5): 390-396.
[11]	常赪, 吕春江, 龚剑锋, 黄一飞, 马昭阳, 刘臻. 工业炭黑加入量对复相结合碳化硅耐火材料性能的影响[J]. 耐火材料, 2023, 57(5): 412-416.
[12]	曹会彦, 万龙刚, 王建波, 刘云, 郑翰, 张新华, 冯严宾, 吴吉光. 重结晶碳化硅在1 000 ℃饱和水蒸气中的氧化行为研究[J]. 耐火材料, 2023, 57(5): 423-426.
[13]	郭会师, 杨佳麟, 李文凤, 桂阳海, 赵志强, 刘应凡. 铝硅系原料种类对钙长石质隔热耐火材料性能的影响[J]. 耐火材料, 2023, 57(4): 286-290.
[14]	邝昌柳, 王杏, 刘正龙, 丁军, 余超, 邓承继, 祝洪喜. ZrC改性石墨对低碳Al₂O₃-C耐火材料结构与性能的影响[J]. 耐火材料, 2023, 57(4): 295-299.
[15]	王杏 , 刘正龙, 邓承继, 余超, 祝洪喜, 丁军. 耐火材料用生物质炭的制备及其对原位合成SiC晶须的影响[J]. 耐火材料, 2023, 57(4): 300-304.

发泡-注凝结合催化氮化法制备Si₃N₄多孔陶瓷

Preparation of Si₃N₄ porous ceramics via foam-gelcasting combined catalytic nitridation

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 8

参考文献 12

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价